Cerebrovaskulära störningar: molekylär insikt och terapeutiska möjligheter natur neurovetenskap

Cerebrovaskulära störningar: molekylär insikt och terapeutiska möjligheter natur neurovetenskap

Anonim

ämnen

  • Cerebrovaskulära störningar
  • Molekylär neurovetenskap
  • Neuro-vaskulära interaktioner
  • Neurologiska störningar

Abstrakt

Blodkärl i nervsystemet har traditionellt betraktats som neutrala åskådare som endast passivt anpassar sin struktur och funktion som svar på nervcellernas behov. Nya bevis tyder dock på att kärl och angiogena molekyler aktivt deltar i patogenesen av neurologiska störningar. Här kommer vi att diskutera molekylär insikt om neurologiska störningar som härrör antingen från överdriven kärltillväxt (cerebrala vaskulära missbildningar) eller felaktig kärregression (neurodegeneration och vita ämnesskador). Dessa genetiska insikter erbjuder alternativa terapeutiska alternativ, varav några utvärderas i kliniken.

Huvudsaklig

Däggdjurshjärnan är ett av de mest vaskulariserade organen. Den cerebrala vaskulaturen är avgörande för neuronal homeostas, vilket säkerställer tillförsel av syre och näringsämnen, avlägsnande av metaboliskt avfall och bevarande av den neurala mikro-miljön. Följaktligen orsakar CNS-vaskulaturen allvarliga neurologiska störningar när de störs av utvecklingsmässiga eller förvärvade avvikelser i struktur eller funktion.

Hos friska vuxna är kärlen i vila, med <0, 5% av endotelcellerna delade. Emellertid kan allvarliga neurologiska symtom provoceras när kärl växer otillräckligt som cerebrovaskulära missbildningar eller, omvänt när de blir dysfunktionella, degenererade eller regresser som inträffar vid neurodegenerativa sjukdomar och vita substanser. Vid Alzheimers sjukdom, amyotrofisk lateral skleros (ALS) och cerebral autosomal dominerande arteriopati med subkortikala infarkter och leuko-encefalopati (CADASIL), uppträder vaskulära förändringar i ett presymptomatiskt stadium, vilket tyder på ett orsakssubjekt. Den neurovaskulära anslutningen stöds vidare av fynd att den angiogena faktorn VEGF har en sjukdomsmodifierande roll och terapeutisk potential i ALS. Vi kommer att belysa framväxande molekylära insikter i patogenesen av kärlstyrda neurologiska störningar, sett ur ett angiogenesperspektiv och diskutera terapeutiska möjligheter.

Neurologisk sjukdom orsakad av överdriven fartygstillväxt

Blodkärlen bildas ursprungligen som bräckliga omogna endotelkroppar, som senare stabiliseras genom rekryteringen av pericyter eller glatta muskelceller (SMC) 1 . Nya bevis tyder på att pericyter har viktigare roller för att skydda den normala strukturen och funktionen i cerebral mikrovasculatur än vad som ursprungligen förväntats (se bifogad översikt 2 ). Cerebrovaskulära missbildningar kännetecknas av överdriven kärlstillväxt och onormal kärlväggsmognad. Utvecklingsvenösa avvikelser (DVAs) är de vanligaste cerebrovaskulära missbildningarna, men de är fortfarande dåligt karakteriserade molekylärt 3 .

Vi kommer därför att fokusera på två monogena störningar, nämligen cerebral kavernös malformation (CCM) och ärftlig hemorragisk telangiectasia (HHT), för vilken mer molekylär insikt finns (Fig. 1). Inte bara blödningar från dessa ömtåliga kärl eller komprimering av hjärnparenkym genom de vaskulära skadorna, utan också trombos, vaskulär stjälning (perilesional hypofusion till följd av blodflöde som shuntas in i cerebrovaskulära missbildningar), kan orsaka olika neurologiska symtom, allt från huvudvärk, fokal neurologisk underskott och anfall till hemorragisk stroke.

( a ) I den friska hjärnan går en matarartär (röd) in i ett grenat nätverk av kapillärer som dräneras av en ven (blå). ( b ) CCM är lågflödesskador kännetecknade av dysplastiska kapillärer som bildar kavernösa sinusoider. ( c ) AVM: er är snabbflödesskador där matarartioler växlar direkt till vener utan att ingripa kapillärer. Kandidatsjukdom-associerade molekyler som är uppreglerade (+) eller nedreglerade (-) visas. EC, endotelcell.

Bild i full storlek

Cerebral kavernös missbildning

CCM är kluster av dilaterade kapillärliknande grottor med ett mullbärliknande utseende bestående av löst anslutna sinusformade kanaler som endast stöder långsamt flöde (Fig. 1a, b) 4, 5 . Dessa spröda lesioner är fodrade av flerskikt av hyperaktiva endotelceller som saknar en tätt blod-hjärnbarriär (BBB) ​​och stöds endast av ett basalt membran utan omgivande pericyter eller astrocyter, vilket gör dessa lesioner benägna att blöda. De cellulära händelserna som orsakar CCM förblir ofullständigt förstått. Enligt den hemorragiska angiogena proliferationshypotesen överbelastar venös distorsion kapillärbädden, vilket orsakar blödning och ischemi som i sin tur uppmuntrar till angiogen tillväxt, vilket kulminerar med en fullblåst lesion. CCM som bildas de novo finns verkligen i dräneringsområden för DVA: er. Andra modeller hävdar att CCM uppstår från kapillär dysplasi eller från en immunreaktion mot blodprodukter som ackumuleras vid blödning 6 . Svaret på skadahypotesen antyder att endotelceller är tysta under utgångsläget men växer på ett okontrollerat sätt när angiogenes initieras lokalt som svar på stressiga tillstånd.

CCM: er svarar för 10–15% av alla CNS-vaskulära missbildningar, men endast en tredjedel av de drabbade individerna är symptomatiska 4, 5 . Modern avbildning indikerar att förekomsten av dessa missbildningar är högre än tidigare trott. De flesta CCM förekommer sporadiskt, men familjära former kan orsakas av mutationsförlustmutationer i en allel av en CCM- gen följt av somatisk förlust av den andra allelen, vilket kan förklara fokaliteten hos CCM-lesioner 4, 5 . I själva verket utvecklar möss som saknar en enda allel av Krit1 ( Ccm1 ) eller Ccm2 inga lesioner, men korsar Krit1 heterozygoter till en Trp53 ( p53 ) - eller Msh2- bristfällig bakgrund, för att öka graden av somatiska mutationer av den kvarvarande intakta Krit1- allelen, inducerar CCM-lesioner 7 . Genetiska mutationer i relaterade vägar eller miljöfaktorer, inklusive angiogena eller inflammatoriska ledtrådar, kan också fungera som andra träff för att initiera tillväxten av fokalskador.

Global deletion av var och en av Ccm- generna eller deletion av Ccm2 eller Pdcd10 ( Ccm3 ) i endotelceller resulterar i vaskulära defekter, även om Pdcd10- brist i neuroglia också orsakar CCM-liknande skador 8 . En postnatal inducerbar Ccm2- borttagning representerar en tillförlitlig modell av motsvarigheten till mänsklig sjukdom 9 . I Ccm- mutanta djur är kärl dilaterade, ömtåliga, tunnväggiga och fodrade av disorganiserade endotelskikt utan väggmålning, vilket indikerar att Ccm- gener kontrollerar bildandet av en vaskulär lumen, endotelkontakter, endotelcellstöd, BBB-underhåll och montering av ett vaskulärt nätverk 8 . De underliggande molekylära mekanismerna för hur Ccm- gener reglerar dessa endotelcellfunktioner upptas alltmer (ruta 1 och fig. 2).

De exakta molekylära mekanismerna genom vilka CCM-proteiner påverkar endotelcellsvar är komplexa och ofullständigt förstått. CCM-proteiner i endotelceller interagerar med varandra i ett ternärt komplex under plasmamembranet 4, 98 . Som ställningar som länkar integriner och VE-cadherin med intracellulära signalvägar, reglerar CCM-proteiner vidhäftning av celler med varandra och med den extracellulära matrisen 4, 98 (fig. 2). Genom att binda ß-catenin i vidhäftande korsningar kontrollerar CCM1 endotelbarriären och den övergripande lokaliseringen av Par-polaritetskomplexet som krävs för endotelpolarisation och vaskulär lumenbildning. CCM-komplexet fungerar också som ett ställning för serin / treoninkinaser (STRK24) och Ras superfamiljmedlemmar (Rap1), som aktiverar Rho GTPases Rac, Cdc42 och MAP kinas (MAPK) intracellulära signalvägskomponenter (MKK3, MEKK3) och försämrar RhoA . Dessa interaktioner befrämjar bildning av cell-övergångar mellan endotelceller, endotelcellpolaritet och dynamisk cytoskeletalaktin. CCM-proteiner är också nedströms HEG1, en föräldralös receptor relaterad till mucinfamiljen som är involverad i reparationen av endotelbrott genom återupprättande av cellpolaritet. Genom associering med ICAP1a, en molekyl involverad i rekryteringen av P1-integrer till fokala kontakter, kontrollerar CCM1 vidare cellvidhäftning och migration 4, 98 . CCM1 skickar också till kärnan för att inducera gentranskriptionsprogram 4, 98 . CCM3 har varit inblandad i VEGFR2-signalering 99 men kan också kontrollera apoptos genom sin koppling till p38MAPK. Arteriella markörer i Krit1 ( Ccm1 ) nollembryon är nedreglerade 4, vilket väcker frågan om förlust av CCM1 inducerar kapillär dysplasi genom dysreglering av arterio-venös specifikation. I själva verket inducerar CCM1 Notch-signalering, en väg som är inblandad i arteriell endotelcells öde-specifikation och stillhet 1 .

I endotelceller interagerar CCM-proteiner direkt eller indirekt med de cytosoliska domänerna för VE-cadherin, HEG1, integrin-p 1 och VEGFR2 för att ansluta extracellulära signaler till intracellulära signalvägar. De cellulära svar som är resultatet av aktivering av dessa signaltransduktionskaskader indikeras. ECM, extracellulär matris; p-katt, p-katenin. Mer information finns i ruta 1-text.

Bild i full storlek

Arteriovenösa missbildningar

Arterier grenar sig i kapillärbäddar, som dräneras av vener. Fartyg ombyggs aktivt under utvecklingen och onödiga kortvariga arteriovenösa förbindelser förloras när perfusion har upprättats. Däremot, vid arteriovenösa missbildningar (AVM), bildas en komplex trassel ('nidus') av onormala artärer och vener, i vilka arterioler shuntar blod till vener utan att ingripa kapillärer (fig. 1c). Enligt en modell består telangiectasias i tidiga stadier av en fokal dilatation av en postkapillär venule, ansluten till en arteriole med kapillärer 10 . När lesioner växer blir venen utvidgad och ansluter till matarartärerna, med förlust av kapillärer. En annan modell antyder att fokal arteriell dilatation är den initierande händelsen som inducerar stabilisering av övergående arteriovenösa anslutningar för att dränera det engorged arteriella systemet 11 . Ytterligare en modell postulerar att arteriovenösa kontakter är den inledande händelsen, vilket leder till postkapillär venulär dilatation och arteriell ombyggnad 12 . Hur som helst, blodflödet skiftas bort från den omgivande vävnaden till etablerade AVM: er ("vaskulärt stjäl"). Trots snabbflödesperfusion vid arteriellt tryck misslyckas dränerande vener att bli tillräckligt 'arterialiserade' och behåller en venös struktur och molekylär signatur. Som ett resultat är onormala kärl i nidala lesioner benägna att brista och blöda, eller att aneurysmatiskt utvidgas.

De flesta AVM: er förekommer sporadiskt utan definierad etiologi. Under utveckling får endotelceller en arteriell eller venös identitet, segregerar i separata vaskulära bäddar och får muskelrockar med olika tjocklek för att tillgodose hemodynamiska krav 1 . Inhämtnings- och efrin-familjemedlemmar kontrollerar arteriovenös specifikation och separering i normal utveckling 1 men är felreglerade i AVM. Både förstärkning och förlust av funktion för Notch-gener orsakar AVM, vilket innebär ett behov av stram reglering 13 . Förlust av funktionsmutanter av efrin-B2 och EphB4, uttryckta i arteriella respektive venösa endotelceller, utvecklar också AVM. Hypoxi-signalering har också varit inblandad i AVM-bildning. En modell antyder att DVA orsakar ischemi genom störande venös dränering; detta aktiverar den hypoxiainducerbara transkriptionsfaktorn HIF-1a, som uppreglerar proangiogena molekyler och stimulerar kärltillväxt 14 . AVM-lesioner överproducerar faktiskt angiogena faktorer (VEGF, angiopoietin-2, integriner, MMP-9, HIF-1a), medan de nedreglerar molekyler som hämmar endotelcelltillväxt (TSP-1) eller främjar kärlsstabilisering (angiopoietin-1).

Dogmen att AVM: er (endast) medfödda ursprung utmanas av fynd att AVM: er kan expandera efter födseln. Inflammation, trauma eller andra fysiologiska stimuli som främjar angiogenes kan initiera AVM-bildning. Ett inflammatoriskt infiltrat ses ofta i oavbrutna AVM, och förhöjning av proinflammatoriska cytokiner (IL-1p, IL-6, TNFa, NF-KB) antyder en aktiv roll i AVM-bildning 15 . Sporadiska AVM: er är associerade med genetiska polymorfismer i IL-1p, IL6 och andra cytokiner. Förändrade regionala hemodynamiker på grund av felaktig autoregulering, fokal trauma eller lokal hypoxi kan vara andra triggers som kan förklara fokaliteten hos dessa sporadiska lesioner.

Familjärftliga cerebrala AVM: er har identifierats i HHT 4, 10 . HHT orsakas av haploinsufficient förlust av funktionsmutationer av ENG (HHT1) och ACVRL1 ( ALK1 eller HHT2), endoteluttryckta gener som kodar för endoglin (ENG), ett tillbehörsprotein av TGF-ß-receptorn och aktivinreceptorliknande kinas 1 (ALK1), en medlem av TGF-p-receptorfamiljebindande BMP9 (ref. 4, 10, 16, 17). Andra, mindre frekventa former är associerade med mutationer i SMAD4 (som kodar en signalmolekyl nedströms ALK1) och andra genomiska lokaler. Möss med heterozygota mutationer i Eng eller Acvrl1 ( Alk1 ) fenocopy human HHT: de utvecklar varierande återkommande näsblödningar, telangiectasias, dilaterade kärl och AVM med dräneringskärl som visar venös struktur och molekylsignatur 4, 10, 16, 17 . Endotelförlust av Acvrl1 orsakar kärldisorganisering och avvikande arteriovenösa förbindelser under utvecklingen, medan inaktivering av Acvrl1 efter födseln inducerar AVM-liknande skador i huden under tillstånd av patologisk angiogenes 12 .

Mekanismerna genom vilka ACVRL1 eller ENG haploinsufficiens orsakar AVM förblir ofullständigt förstås, delvis på grund av att ALK1 signalering inducerar dubbla svar i endotelceller och ligandens natur förblir diskuterad. Nya bevis tyder på att AVM-bildning är ett olämpligt angiogeniskt svar som kännetecknas av felaktig mognad. Även om TGF-ß1 främjar SMC-differentiering 1 och HHT-mutationer i ENG eller ACVRL1 försämrar kärlets mognad 10, är det oklart om den primära defekten ligger i väggmålningsceller eller snarare i endotelceller, i det senare fallet med sekundära defekter i SMC: er. Faktum är att ENG och ALK1 uttrycks i endotelceller, och HHT-associerade mutationer i Acvrl1 försämrar BMP9-signalering 18 . Vidare inhiberar BMP9 endotelcelltillväxt och cirkulerar under fysiologiska förhållanden, vilket antyder att den kan fungera som en humoral signal för att säkerställa endotelcellsrisk. Dessa fynd kan förklara varför endotelcellsproliferation förbättras i Eng heterozygota och Acvrl1-nollmöss 10 och varför artärer innehåller fler endotelceller i acvrl1- mutant zebrafisk 11 . Huruvida avvikande notch eller efrin-signalering kan förklara förlusten av arteriell identitet och otillräcklig arterialisering av dränerande vener kräver ytterligare studier.

Även om den ovannämnda modellen förklarar hur Acvrl1 haploinsufficiens inducerar AVM, ger den inte en förklaring till sjukdomens fokalitet. Epigenetiska faktorer, modifierande gener eller andra stimuli (andra träffar) bestämmer sannolikt AVM-bildningen 4, 16 . I ALK1-bristande möss förvärras bildningen av AVMs faktiskt av skada 12, och fokal överuttryck av VEGF förbättrar AVM-bildningen hos möss som saknar en allel av Eng eller Acvrl1 globalt eller saknar båda allelerna av Acvrl1 i endotelceller 4, 19 . Detta antyder att miljömässiga, proangiogena eller andra faktorer behövs för att initiera tillväxten av den lugna kärlkransen, som sedan sporrar bort och inte kan fortsätta till lämplig kärlsmognad.

AVM förekommer också vid en prevalens av 30% vid kapillär missbildning – arteriovenös missbildning (CM-AVM). I denna ärftliga störning orsakas lesionerna av förlust-av-funktionsmutationer av RASA1 , en endoteliellt uttryckt gen som kodar för GTPas-aktiverande protein p120-RasGAP 20 . Genetiska studier från mus avslöjar att förlust av Rasa1 förhindrar endotelceller från att organiseras i ett vaskulärt nätverk på grund av störda cellpolaritet. Noterbart undertrycker miR-132 (en angiogen tillväxtfaktor-inducerbar mikroRNA i endotelet) p120RasGAP-uttryck, vilket leder till Ras-aktivering och till neovaskularisering 21 .

Cns (metabolism) sårbarhet för vaskulär insufficiens

Inget organ är mer kritiskt beroende än hjärnan på tillförsel av syre och glukos. Uppskattningar tyder på att varje neuron har sin egen mikrovaskulära tillförsel och att hjärnan använder upp till 20% av det totala syre och glukos som konsumeras av kroppen. För att möta de dynamiska metaboliska kraven för neurotransmission måste hjärnan kunna justera sin vaskulära försörjning snabbt. Eftersom lite glukosreserv finns i hjärnan och BBB representerar den enda porten för glukos att komma in i hjärnan, är en tillräcklig vaskulär tillförsel och funktionell BBB väsentlig. Mindre störningar i hjärnkärlens struktur eller funktion kan därmed äventyra neuronal prestanda. Endotelceller i hjärnan är ännu mer sårbara för ischemisk skada än perifera endotelceller på grund av deras höga innehåll av mitokondrier, en plats för produktion av reaktiva syrearter (ROS) under ischemiska förhållanden 22 . Otillräcklig kärlförsörjning, BBB-skada eller neurovaskulär frånkoppling är involverad i etiologin av neurodegenerativa störningar och ischemiska vitämnesskador. Vi kommer att diskutera CADASIL som ett exempel på hur vaskulär kompromiss provocerar ischemiska förolämpningar i den vita substansen som leder till demens och kommer att lyfta fram Alzheimers sjukdom och ALS som prototypiska exempel på hur vaskulär insufficiens kan orsaka eller bidra till neurodegeneration.

Cadasil: kärlsjukdom som orsakar neurologiskt underskott

Primär vaskulär sjukdom kan framkalla ischemiska vita ämnesskador och vaskulär demens 23, 24 . På grund av en minskad vaskularisering, distinkt angioarkitektur av arterioler och brist på kollateraler är den vita substansen särskilt sårbar för småkärlssjukdomar. Förutom hypertoni och andra vaskulära riskfaktorer 25, har molekylär genetik identifierat flera monogena tillstånd som involverar småkärlssjukdom 23 . Den vanligaste ärftliga orsaken är CADASIL, vilket leder till progressiv vitmaterial- degeneration 23, 24 . Personer med CADASIL lider av migrän, subkortikala ischemiska händelser och kognitiv nedsättning. Detta syndrom orsakas av mutationer av Notch3 , en gen uttryckt i arteriella (inte venösa) SMC: er och pericyter som reglerar SMC-differentiering och kontrollerar kapillärtillväxt genom en paracrin SMC – till-endotelcellcross-talk 13 .

Hjärnor påverkade av CADASIL visar en typisk arteriopati, kännetecknad av förtjockning av artärväggen på grund av ansamling av granulärt osmiofiliskt material, vaskulär skleros, degeneration av SMC: er och pericyter och sönderdelning av kapillärväggar; dessa förändringar orsakar luminal stenos, komprometterar cerebralt blodflöde (CBF) och trubblar ökningen av CBF som svar på vasodilaterande stimuli 23, 26, 27 . CADASIL-musmodeller har försämrat CBF-autoregulering, dämpad myogen ton och minskad funktionell hyperemi och progressiv kapillär sällsynthet innan lesioner av vita material uppträder 28, även om andra CADASIL-musmodeller inte uppvisar kärregression. Dessa neuropatologiska förändringar inträffar i frånvaro av histologiskt detekterbara förändringar i cerebral artärarkitektur eller BBB-nedbrytning. Sålunda kan troligen cerebrovaskulär dysfunktion och kanske kapillärsarifiering snarare än SMC-förlust och kärlfibros spela en viktig roll i initieringen av vita ämnesskador, även om de senare kan förvärra hjärnlesioner pågår (fig. 3). Att avslöja de relativa roller pericyter kontra SMC kräver ytterligare studier. En nyligen molekylär modell postulerar hur Notch3- mutationer kan orsaka väggmålning av celldegeneration (ruta 2).

Schema som illustrerar den patogena vägen som ligger bakom de vaskulära förändringarna i CADASIL.

Bild i full storlek

Hur Notch3- mutationer orsakar väggmålning av celldegenerering förblir ofullständigt förstått. Hos Notch3- bristfälliga möss har hjärnarterierna ett tunt muskelskikt med onormalt differentierade SMC: er, förstoras och visar en reducerad myogen ton och nedsatt CBF-autoregulering 26, 28 . De visar emellertid inte typiska vaskulära CADASIL-lesioner, vilket indikerar att dessa mutationer förändrar, men inaktiverar inte den normala funktionen av Notch3 (ref. 26, 28). En sjukdomsorsakande Notch3- transgen kan rädda den vaskulära fenotypen av Notch3- bristen, men inaktiverar vildtypsproteinets funktion i en Notch3- heterozygot bristfällig bakgrund. En nylig modell antyder därför att patogena Notch3- mutationer introducerar en oparad cysteinrest i den extracellulära domänen Notch3 som kan inducera tiolmodifieringar. Denna reaktiva grupp skulle inte bara gynna aggregering av själva Notch3 utan också främja interaktioner med andra proteiner som alla kunde ackumuleras i granulärt osmiofilt material (GOM) -avlagringar; detta kan resultera i sekwestrering av kritiska överlevnadsmolekyler och / eller resultera i generering av toxiska arter 28 (fig. 3).

Vaskulära förändringar i Alzheimers sjukdom

Kronisk vaskulär insufficiens och hypoperfusion bidrar till neurodegenerativa störningar såsom Alzheimers sjukdom 29, 30 . Alzheimers sjukdom kännetecknas av amyloid-p-peptidavsättning (Ap) i neuropil (senila plack) och kärl (amyloid angiopati) och av neuronal ackumulering av hyperfosforylerat tau-protein (neurofibrillär trassel). Ap härstammar från amyloidprekursorproteinet (APP) medelst sekventiell klyvning med p-sekretas (eller p-stället AAP-klyvande enzym, BACE) och y-sekretaskomplexet (presenilin-1, nicastrin, APH1A och PEN2; ref 31).

Alzheimers sjukdom och vaskulär demens kan inte längre betraktas som oberoende enheter. Alzheimers sjukdom kännetecknas av betydande vaskulär ko-morbiditet i hjärnan, och manifest cerebrovaskulär patologi kan ofta detekteras vid obduktion (ruta 3) 29, 30, med upp till 60% av personer som visar tecken på iskemisk vitmålsjukdom 32 . Även utan att orsaka ischemisk neuronal död, är vaskulära defekter och hypoperfusion stora bidragsgivare till patogenesen 33 . Hjärnkapillärer kontrollerar AP-homeostas eftersom både tillströmning och utflöde av AP sker genom BBB: transport av plasma-härledd Ap in i hjärnan medieras av receptorn för avancerade glycation-slutprodukter (RAGE), medan utflöde av AP från CNS sker med hjälp av av lipoproteinreceptor-relaterat protein-1 (LRP-1) 29 . Förutom andra icke-vaskulära clearance-mekanismer antas förändringar av BBB-transportegenskaperna för Ap bidra till patogenesen av sporadisk Alzheimers sjukdom i 95% av fallen 34 . I själva verket reduceras LRP-1-nivåerna i hjärnendotelceller, medan RAGE-uttrycket ökar, i Alzheimers sjukdom relativt friska kontroller 29 . Dessutom kan vaskulär väggskleros och stelning i kombination med hypoperfusion ytterligare försämra perivaskulär dränering av AP.

I hjärnor efter mortem hos personer med Alzheimers sjukdom kan man ofta upptäcka tydliga tecken på vaskulär patologi. Aterosklerotiska plack finns i stora intrakraniella kärl men kan också finnas i arteriell cirkeln hos Willis hos personer med Alzheimers sjukdom 100 . Mindre intraparenchymala arterioler och kapillärer visar tecken på vaskulär distorsion, såsom kinking, vridning, tortuosity och looping. Tecken på kärlregression kan också detekteras, och mikrovågor verkar ofta fragmenterade, med färre grenar, och ofta förekommer med en degenererad, atrofisk endotel och kollapsat lumen (strängkärl), förändringar som kan minska lokal hjärnperfusion. Dessutom har deras vaskulära vägg ett förtjockat källarmembran och innehåller avsättningar av amyloid (cerebral amyloid angiopati, CAA), förändringar som kan hindra utbyte av syre och näringsämnen. Vid Alzheimers sjukdom förknippad med hypertoni utvecklar arteriolarväggen tecken på hyalin degeneration. I ryggmärgen i ALS-musmodeller inkluderar vaskulära defekter degenererande endotelceller, kapillärbrott, degenererande eller svullna astrocyt-endefootprocesser som är dissocierade från endotelceller (neurovaskulär frikoppling), ödem, BBB / ryggmärgsbarriärläcklighet och försämrade transportegenskaper, neurovaskulära föroreningar enhetsstörning, reducerad mikrosirkulation och skador på källarmembranen, tillsammans med mikrohemorrhagor och hemosiderinavlagringar med frisättning av neurotoxiska hemoglobin-härledda produkter 67, 68, 70 .

Amyloidavlagringar påverkar flera vaskulära celltyper i hjärnan. I endotelceller motverkar AP de proangiogena effekterna av VEGF och FGF2 (ref. 35) och sekvestrar VEGF i plack 36, men i vissa fall har ökad icke-plackassocierad VEGF rapporterats 37 . Endotelceller i Alzheimers sjukdom uttrycker också mindre Meox2, en transkriptionsfaktor som främjar tillväxt och underhåll av endotelceller 38 . AP inducerar oxidativ skada på endotelceller 30 . Endotel NADPH-oxidas har identifierats som den huvudsakliga källan för AP-inducerad ROS-produktion, vilket leder till reducerat NO på grund av rensning med ROS 39, 40 . Efter bindning Ap 1–40 (amyloiden företrädesvis avsatt i kärlväggen) aktiverar scavengerreceptorn CD36 NADPH-oxidas i endotelceller 41 och inducerar heterodimerisering av Toll-liknande receptor (TLR) -4 och TLR6 för att utlösa ett inflammatoriskt svar i mikroglia 42 . Eftersom hjärnendotelceller har ett stort antal mitokondrier och AP är känt för att störa elektrontransportkedjan i neuroner, kan förhöjda ROS-nivåer också genereras vid mitokondrierna i endotelcellerna 43 . Oxidativ stress antas vara en viktig orsak till skada på hjärnens endotelhinder och generell dysotelfunktion i endotelcellerna. Det orsakar också BBB-defekter delvis på grund av minskat endoteluttryck av snäva föreningsmolekyler (occludin, claudin-5, ZO-1) 44 .

Ap fungerar vidare som en vasokonstriktor 45 . Topisk superfusion av Aβ 1–40 på cortex minskar vilande CBF, försämrar funktionell hyperemi och dämpar ökningen av CBF producerad av endotelberoende vasodilatatorer, medan svar på vasokonstriktionsmedel förvärras - effekter medieras till stor del av ökad ROS-produktion och minskad frisättning av vasodilaterande NO 33, 40 . Dessutom uppreglerar aktivering av RAGE med Ap i endotelceller uttrycket av endotelin-1 (ET-1), en potent vasokonstriktor. Transkriptionsfaktorerna MYOCD och SRF är förhöjda i SMC: er från individer med sent stadium Alzheimers sjukdom, vilket resulterar i hyperkontraktilitet som försämrar perivaskulär clearance och i nedreglering av LRP-1-uttrycket 46, 47 . Pericyter har varit inblandade i kontrollen av funktionell hyperemi i vissa studier 48, 49, men inte av andra 2 . Huruvida pericyter därmed är involverade i den störda funktionella hyperemiaen i Alzheimers sjukdom förblir en debattfråga. AP är giftigt för pericyter in vitro och detekteras kring degenererande pericyter i drabbade hjärnor 48, men det är fortfarande oklart om amyloidavlagringar är toxiska för dessa celler in vivo . Observera att pericyte-bristfälliga musmodeller utvecklar en neurodegenerationsliknande fenotyp med minnesunderskott, som ett resultat av BBB-läckahet och hypoperfusion 50, vilket motiverar ytterligare studier av denna kärlscells roll i Alzheimers sjukdom i synnerhet och i neurodegeneration i allmänhet 2 . Förutom dessa funktionella vaskulära effekter kommer Ap 1-40 oligomerer, när de ackumuleras i ökande mängder, att deponeras som aggregat i kärlväggen, ett tillstånd som kallas cerebral amyloid angiopati, vilket ytterligare komprometterar neurovaskulär integritet.

Den vaskulära anslutningen antyds vidare av rikliga epidemiologiska fynd av en förening av Alzheimers sjukdom med åderförkalkning, hypertoni, stroke och andra vaskulära riskfaktorer 51 . Den relativa vikten av alla dessa vaskulära förändringar har diskuterats tidigare och kommer sannolikt att variera mellan patienter och bland djurmodeller. Fynd att cerebral hypoperfusion, oxidativ stress i cerebrala kärl och vaskulära abnormiteter redan förekommer före bevis på kognitiv dysfunktion och amyloidavsättning hos människor och i musmodeller av Alzheimers sjukdom tyder på en sjukdomstartande roll 33 . Förekomsten av cerebral amyloid angiopati i frånvaro av parenkymal Alzheimers sjukdomspatologi hos patienter med kognitiv nedgång argumenterar för en vaskulär driven komponent i Alzheimers sjukdoms patogenes 52 .

Hur förvärrar kärlavvikelser Alzheimers sjukdom?

Nya bevis tyder på en ond cirkel av ömsesidiga interaktioner mellan Ap-ackumulering och vaskulära defekter som i slutändan kan leda till hypoperfusion och metabolisk nedgång av neuronala och vaskulära celler. Först försämras Ap-clearance delvis genom vaskulära mekanismer (se ovan). För det andra är BACE1 , APH1A , SRF och MYOCD hypoxi-inducerbara gener 53 . Om hypoperfusion är tillräckligt allvarlig kan hypoxi försämra Ap-clearance och öka AP-produktionen, vilket kan orsaka en självförstärkande återkopplingsslinga. Huruvida hypoxi vid (tidigt) Alzheimers sjukdom är tillräckligt för att aktivera dessa vägar in vivo i Alzheimers sjukdomspatogenes förblir emellertid en enastående fråga, eftersom exakta mätningar av vävnadssyremängd i Alzheimers sjukdom saknas, och rapporter om HIF-1a-nivåer och effekter i Alzheimers sjukdom är i konflikt 54, 55 . Pericyter kan eventuellt delta i denna negativa slinga i tillstånd av allvarlig ischemi och oxidativ stress, eftersom de sammandras inte bara under den hypoxiska förolämpningen utan förblir kontrakterade efter reperfusion 56 . I slutändan kommer Ap-ansamling i den vaskulära väggen att störa den neurovaskulära enheten, ytterligare hjälpt av oxidativ skada som inducerar endotelceller att producera proinflammatoriska, profibrotiska signaler och neurotoxiska signaler (trombin), vilket totalt skapar en skadlig miljö för neuroner 57 .

Hypometabolism på grund av vaskulära defekter kan också bidra till patogenesen av Alzheimers sjukdom. Först reducerar hypoperfusion energiförsörjningen till nervceller. För det andra kan endotelcelldysfunktion hindra neuronal metabolism. Genom att kontrollera glukosupptag säkerställer faktiskt hjärnendotelceller glukostillgänglighet för neuroner. Det är emellertid också värt att notera att endotelcellerna själva kan bli metaboliskt komprometterade på grund av oxidativ skada och därmed bli dysfunktionella 22 . Dysfunktionella hjärnendotelceller i Alzheimers sjukdom uttrycker mindre glukostransportör (GLUT1), vilket minskar glukosupptag i hjärnan 54, 58 . Detta förbättrar tau-fosforylering och ansamling av neurofibrillära trassel 59 och kan försämra kolinerg överföring med tanke på att acetylkolinsyntes är mycket känslig för tillgänglighet av glukos 60 . Betydelsen av reducerad GLUT1 i hjärnendotelceller illustreras av fynd att GLUT1 haploinsufficiens orsakar kramper och rörelsestörningar hos människor 61 . Huruvida tillbakadragande och svullnad av astrocytendefet hindrar glukosleverans till neuroner och därmed bidrar till neuronal hypometabolism kräver ytterligare studie 58 . Totalt sett återstår fortfarande att lösa i vilken utsträckning hypometabolism är sekundär till neuronal dysfunktion eller orsakar orsak till Alzheimers sjukdom.

Amyotrofisk lateral skleros

Amyotrofisk lateral skleros (ALS) är en obotlig, förlamande motorisk neuron degenerativ störning som orsakar dödsfall 3 till 5 år efter diagnos. I de flesta fall är ALS sporadisk och i endast 10% av fallen har en genetisk orsak identifierats; av de personer med familjehistoria har 20% missense-mutationer i SOD1- genen 62 . Till skillnad från Alzheimers sjukdom har personer med ALS ofta en fördelaktig vaskulär riskprofil 63 (till exempel kolesterolemi, kroppsvikt), vilket antyder vid första anblicken att vaskulära störningar kanske inte är involverade i patogenesen av denna sjukdom. Imagingstudier indikerar emellertid att regional CBF minskas oberoende av hjärnatrofi och att funktionell hyperemi förändras i motorcortex hos personer med ALS 64, 65 . Ett minskat blodflöde i ryggmärgen har också observerats i presymptomatiska mutanta SOD1- eller Vegf- hypomorfmusmodeller av ALS 66, 67 .

Olika vaskulära strukturella och funktionella avvikelser, inklusive kapillärsarifiering och BBB-störning, har dokumenterats i ryggmärgen i ALS-musmodeller (ruta 3); some of these defects have been also detected in humans with ALS. Other signs of endothelial dysfunction include reduced expression of endothelial markers (CD31, CD34, CD146) and fewer mitochondria 67, 68, 69, 70 . BBB defects are due to reduced endothelial expression of tight junctional proteins (ZO-1, occludin, claudin-5) and basement membrane components (laminin) 67, 68, 69, 70 . Matrix metalloproteases destabilize the BBB by degrading the basement membrane and cleaving endothelial cell tight junctional molecules 71, 72 . Endothelial GLUT1 expression is reduced and astrocyte endfeet are swollen, possibly compromising availability of glucose to neurons 67, 68, 70 . Pericyte alterations have not been studied in ALS so far. Although vascular changes are detected in SOD1 mutant mice before onset of paralysis, suggesting a causal contribution to ALS pathogenesis 67, further studies in other ALS rodent models and in humans are needed to better delineate the contribution of vascular dysfunction to ALS.

Although vascular anomalies have been also documented in Parkinson's disease 73 and Huntington's disease 74, there is no compelling evidence (yet) for a causal contribution to their pathogenesis.

Deregulated angiogenic factors causing neurodegeneration

Angiogenic and vascular-derived factors have been also implicated in the pathogenesis of neurodegenerative disorders. A prototypic example is the role of VEGF in ALS. Its involvement was first revealed by findings that deletion of the hypoxia-response element in the Vegf promoter in Vegf Δ/Δ mice reduced VEGF in the CNS and caused adult-onset progressive motor neuron degeneration reminiscent of ALS 37, 66 . Low VEGF reduced neural perfusion and caused chronic ischemia in symptomatic Vegf Δ/Δ mice 66 (Fig. 4a, b). VEGF controls regulation of vascular tone of peripheral vessels 75, but whether this is also the case for CNS vascular regulation is unknown. VEGF also upregulates GLUT1 in endothelial cells and can thus promote uptake of glucose in the brain. Insufficient VEGF-mediated neuroprotective effects may also contribute to motor neuron degeneration. Indeed, VEGF promotes survival of motor neurons through activation of its receptor VEGFR2 (ref. 37), and neuronal overexpression of VEGFR2 delays onset of motor neuron degeneration and prolongs survival of SOD1 G93A mice, a model of familial ALS 37, 76 .

( a ) In healthy conditions, the mRNA stabilizer HuR binds to VEGF mRNA, resulting in sufficient VEGF protein to provide neuroprotection and oxygen supply to motor neurons. ( b ) In ALS, mutant SOD1 competes with HuR for binding, reducing VEGF and compromising neuroprotection and perfusion, leading to motor neuron degeneration. ( c ) Recombinant VEGF is delivered intracerebroventricularly to provide degenerating motor neurons an increased neuroprotective survival signal and improved oxygen supply. For reasons of simplicity, the amount of oxygen supply is denoted by the degree of vessel branching.

Bild i full storlek

Involvement of VEGF in ALS pathogenesis is further indicated by findings that low VEGF aggravates motor neuron degeneration in SOD1 G93A mice 37 . Mutant SOD1 competes with the RNA stabilizer HuR for binding to the 3′ untranslated region of Vegf mRNA, leading to reduced stability of Vegf mRNA, and therefore reduced steady-state Vegf mRNA levels 37, 77 . Mutant SOD1 sequesters HuR in insoluble aggregates, further reducing HuR binding to Vegfa mRNA 78 (Fig. 4a, b). Genetic evidence for a role of VEGF in human ALS is based on the existence of VEGF gene variants conferring increased risk of disease 79, further underscored by findings that VEGF and VEGFR2 expression are reduced in motor neurons of people with ALS 37 . VEGF-B, another VEGF family member, also protects motor neurons against degeneration, and loss of Vegfb enhances motor neuron degeneration in SOD1 G93A mice 80 . Angiogenin (ANG), a RNase expressed by motor neurons, is another angiogenic gene implicated in ALS 81 . In its mutant form, ANG fails to induce angiogenesis and neuroprotection 82 .

A prototypic example of deregulated expression of an angiogenic factor in Alzheimer's disease is TGFβ1. Elevated brain TGFβ1 in human Alzheimer's disease correlates with increased Aβ deposition in cerebral vessels 83 . Transgenic Tfgb1 overexpression in astrocytes induces Aβ deposition in brain vessels, along with Alzheimer's disease–like microvascular degeneration and alterations of regional CBF and brain metabolic activity 83 . It should, however, be noted that TGFβ1 can also be neuroprotective and promote Aβ clearance by microglia 83 .

Therapeutic implications

The aforementioned insights open perspectives for new treatment options (Table 1). For instance, in rodent ALS models, intramuscular Vegf gene transfer or intracerebroventricular (ICV) infusion of recombinant VEGF delays disease onset and prolongs survival, even when treatment is initiated at onset of paralysis 76, 84 (Fig. 4c). Furthermore, in SOD1 G93A mice, ICV injection of an adeno-associated virus serotype 4– Vegf vector 85 or Vegf overexpression in motor neurons delays paralysis and prolongs lifespan 86 . Thus, several strategies and administration routes that increase VEGF in the CNS have therapeutic effects. A phase 1/2 clinical trial is evaluating the safety of ICV infusions of VEGF protein in ALS patients. ICV delivery of recombinant VEGF-B also prolongs survival of SOD1 G93A rats 37, 80 . VEGF and VEGF-B have therapeutic effects in Alzheimer's, Parkinson's and Huntington's disease models 37, 87, 88, 89 . Thus, VEGF may hold promise for treatment of various neurodegenerative disorders. Angiogenin delivery also increases the life span of SOD1 G93A mice 90 . Alternative strategies to counter Alzheimer's disease rely on the blockade of RAGE 91, CD36 (ref. 41) or TGFβ1 (ref. 92).

Full storlek bord

Treatment of cerebrovascular malformations has been restricted to micro-neurosurgery, stereotactic radiotherapy or endovascular embolization. The improved molecular understanding of these malformations is paving the way for the design of targeted approaches. For instance, loss of Krit1 ( Ccm1 ) or Ccm2 leads to sustained activation of the GTPase RhoA and its effector Rock. On the basis of this insight, inhibitors of RhoA activity (simvastatin, fasudil) were successfully used to reverse the hyperpermeability in heterozygous Ccm2 -deficient mice 93 . Furthermore, treatment with the anti-VEGF antibody bevacizumab (Avastin) improves clinical symptoms in patients with AVMs 94, 95 . Additionally, by restoring PDGF-B levels to recruit mural cells around vessels, thalidomide improves the outcome in a preclinical AVM model 96 . Finally, findings that vessel-targeted nanoparticle delivery of a miR-132 blocker suppresses pathological angiogenesis warrant its consideration for the treatment of cerebrovascular malformations 21 .

Conclusions

During recent years, substantial progress has been made in elucidating the molecular and cellular mechanisms by which vessel abnormalities cause or contribute to neurological diseases. This has created therapeutic opportunities, some of which are now being evaluated in the clinic. Nonetheless, several questions remain to be answered. For instance, do vascular abnormalities also contribute to other neurodegenerative disorders? What is the role of pericytes in neurodegeneration, and how can we target these 'new kids on the block'? Given the proangiogenic and proinflammatory state of cerebrovascular malformations, can agents that block these signals be used therapeutically, and are other antiangiogenic agents, already approved or in development, useful? How can vascular sclerosis and BBB leakage, commonly found in cerebrovascular anomalies, be treated? What are the 'second hits' that provoke vascular malformations, and how can they be targeted? Which other angiogenic signals have neurotrophic activity? Providing an answer to these and other outstanding questions could offer new treatment avenues.